우리가 매일 일상 생활을 하며 사용하는 자동차들은 앞바퀴의 방향을 핸들을 통해 조절하여 차량의 진행 방향을 결정하는데요. 반면 바퀴가 없는 데다 날개가 아주 작은 로켓은 어떻게 방향을 조정하는 걸까요?
로켓의 진로를 결정하는 방법을 알려면 로켓 엔진의 설계 방식을 간단하게 알아보아야 합니다. 인류는 다양한 로켓을 개발하며 다양한 노하우를 쌓았는데요. 그 방식에는 크게 2가지의 방법이 있습니다.
- 출력이 강력한 단일 엔진으로 로켓을 비행시키는 방법.
- 출력은 작지만, 추력 효율이 좋은 여러 엔진을 하나의 엔진처럼 묶어 하나의 큰 엔진처럼 작동하게 설계하는 엔진 클러스터링.
이 두 가지의 방법이 있는데요. 두 방법은 각각의 장단점이 있습니다. 첫 번째인 강력한 단일 엔진의 경우, 개발만 한다면 단일 엔진인 만큼 일정 추력을 내는 추력 안정성이 상당히 우수한 편인데요. 다만, 엔진의 최대 추력이 높아야 하기에 개발 난이도가 높다는 단점이 있습니다.
반면, 두 번째 방법은 작은 추력의 엔진을 여러 개 묶어 하나의 엔진처럼 사용하는 방법인데요. 가장 큰 장점은 거대한 엔진을 만들 기술력이 없음에도 큰 엔진처럼 사용할 수 있는 장점이 있습니다. 다만, 여러 엔진을 하나로 묶은 만큼, 각 엔진의 점화 시간, 연소 도중의 추력 비율을 동등하게 맞춰야 하는 등 엔진을 묶는 클러스터링 기술 난이도가 높다는 단점이 있습니다.
이 두 가지 엔진 설계 방법은 각각 로켓의 방향을 결정하는 방식도 약간 다른데요.
먼저, 단일 엔진의 경우, 짐벌 시스템(가동형 노즐) 즉, 엔진 분사 구멍 방향을 통체로 돌려 추력의 방향 변화를 통해 비행 방향을 결정합니다.
< 엔진 짐벌 시스템(가동형 노즐) 예시 사진 – 출처 : NASA >
반대로 여러 엔진을 클러스터링 하여 사용하는 경우, 각 엔진의 분사 구멍의 방향을 돌리는 경우도 있지만, 각 엔진의 방향은 고정한 체로 각각의 출력을 조절하여 로켓의 방향을 서서히 바꾸는 방법도 있습니다.
< 엔진 클러스터링 예시 사진(소유즈 로켓 엔진) – 출처 : 위키 백과 >
이 외에도 바다를 항해하는 선박처럼 로켓의 분사 구멍에 추력 방향을 틀어주는 날개(방향타)인 제트베인을 장착하는 방법(주로 군사용 미사일에 사용되는 방식), 로켓의 하부 스러스터(분사구) 외에도 별도의 스러스터를 만들어 동체 자체를 밀어내는 형태로 방향을 바꾸기도 합니다.
< V2 로켓에 달린 제트베인 사진 – 출처 : wikimedia >
< 별도의 스러스터 증설을 통한 방향 전환 예시(국산 L-sam 방공 미사일) – 출처 : 국방부 >
다만, 이 두 방법의 경우엔 엔진의 추력을 감소 시킴은 물론 연료 낭비가 심하여 짐벌이나 클러스터링 기술을 통한 추력을 조절하는 방식보다는 활용도가 떨어지는 편입니다.
오늘은 로켓의 다양한 방향 제어 방식을 알아보았는데요. 우리나라 역시 누리호에서 클러스터링 기술과 짐벌형 추력 제어로 방향을 제어하는 방식, 군사용 미사일이나 특수 목적용으로 사용하는 별도의 스러스터 증설이나 제트 베인 사용 방식 등 다양한 시도를 하며 우주 개발 역량을 꾸준히 배양해나가는 중입니다.
앞으로도 수많은 로켓 엔지니어들의 노력으로 더 많은 성과들을 이뤄나가며 우리나라의 뛰어난 과학기술을 전 세계에 보여주었으면 하는 바람입니다.